Stability and electric structure of an electronegative inductively coupled plasma
Stabilité et structure électrique d'une décharge inductive en gaz électronégatif
Résumé
Inductively coupled plasmas are widely for machining nano-scaled devices. These plasmas often contain a large amount of negative ions and are subject to two kinds of instabilities. The first one is described as relaxation oscillations between two power-coupling modes: the capacitive (E) and inductive (H) modes. Time-resolved measurement of the plasma parameters during these oscillations are similar to published results. The second instability is related to the charged particles' transport and has only been observed when the plasma can diffuse. Space and time resolved measurements of the plasma parameters show that the observed fluctuations are linked to the periodic formation and propagation of a medium double-layer. This double-layer is an internal sheath between a high electron density, high electron temperature electropositive plasma in the source and a low electron density, low electron temperature electronegative plasma in the diffusion chamber. The propagating double-layer appears when the negative ion fraction is above a critical threshold. Below the threshold, the double-layer is static and eventually disappears for very low negative ion fractions. The transitions between these regimes are subject to strong ion acoustic activity. Adding a static magnetic field lead to a new power coupling mode, through the absorption of an helicon wave. Relaxation oscillations between the inductive and helicon modes have been observed for a very narrow range of parameters. The second consequence is the modification of the charged particles' confinement: the core plasma is free of negative ions, while the outer plasma is electron free; an ion-ion plasma has been created.
Les plasmas inductifs radiofréquence basse pression sont utilisés pour la gravure de motifs nanométriques. Ces plasmas contiennent des ions négatifs et peuvent être soumis à deux types d'instabilités. La première est décrite par des oscillations de relaxation entre les modes de couplage de l'énergie capacitif (E) et inductif (H). Les mesures temporelles au cours de ces oscillations sont conformes aux résultats publiés. L'autre instabilité, liée au transport des espèces chargées, n'existe que lorsque le plasma peut diffuser. Des mesures spatio-temporelles montrent que les fluctuations des paramètres plasma sont liées à la formation et à la propagation périodique d'une double couche d'amplitude moyenne. Cette double couche est une gaine interne séparant un plasma haute densité, forte température électroniques et sans ions négatifs dans la source d'un plasma faible densité, faible température électronique et de forte fraction d'ions négatifs dans la chambre de diffusion. Cette double couche propagative apparaît lorsque la fraction d'ions négatifs dépasse un seuil. Sous ce seuil, la double couche est statique et disparaît pour des fractions d'ions négatifs très faibles. Les transitions entre ces trois états sont soumises à une forte activité acoustique ionique. L'ajout d'un champ magnétique modifie le chauffage des électrons par absorption de l'onde hélicon (mode W). Des oscillations de relaxation H/W ont été observées dans une fenêtre restreinte de paramètres. D'autre part, le confinement des espèces chargées est modifié: au centre, le plasma ne contient pas d'ions négatifs; au bord, le plasma ne contient plus d'électrons, un plasma ions - ions a été créé.
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